WO2009115148A2 - Elektromotor mit einer temperaturerfassung und verfahren zur erfassung einer temperatur in einem elektromotor - Google Patents

Elektromotor mit einer temperaturerfassung und verfahren zur erfassung einer temperatur in einem elektromotor Download PDF

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/20—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
    • H02K11/25—Devices for sensing temperature, or actuated thereby

Definitions

  • Electric motor with a temperature sensing and method for detecting a temperature in an electric motor
  • the invention relates to an electric motor which is designed to detect a temperature.
  • the invention further relates to a method for detecting a temperature in an electric motor.
  • a common cause of damage or failure of electric motors is their thermal overheating. Too high a temperature is usually caused by an overload of the electric motor, i. by too high a current flowing through the electric motor for providing a required torque for a certain period of time and generating a power loss in the form of heat in the windings of the electric motor.
  • the electric motors have a thermal switch, such as a bimetallic thermo switch, which is arranged on or in the electric motor and which switches when a temperature threshold is exceeded, thus opening a circuit through the electric motor.
  • the electric motor is deactivated and only when the Temperature has dropped in the electric motor, the circuit is closed by the electric motor again.
  • a temperature sensor may be provided, which is connected to an evaluation unit arranged in the interior of the engine or separate. The evaluation unit can then cause, depending on the detected temperature, that the circuit is opened.
  • a temperature sensor in the electric motor, a temperature can be detected only at a certain range in the electric motor and thereby no information about the temperature in other areas of the electric motor is available.
  • Another way to protect the electric motor from overheating is to use a suitable monitoring unit to detect operating parameters of the electric motor, such as the number of activation cycles, the cooling time between the activation cycles, motor parameters, such as
  • the detection of the temperature should be realized easily and with little effort and in particular require no provision of a temperature sensor as a separate component in the electric motor.
  • an electric motor comprises a coil element with a winding, which causes a driving force in the electrical driving by interaction of a magnetic field caused thereby with a further magnetic field.
  • the winding of the coil element is arranged on an element of the electric motor so that a complex resistance of the winding is temperature-dependent, for example by a temperature-dependent relative permeability.
  • a temperature of the electric motor can be detected via the changed permeability, which results in a change of a complex resistance of a winding in the electric motor.
  • the evaluation unit comprises a signal generator for Providing a vibration signal to which the electric motor is applied, a detection unit for detecting a resulting signal that depends on the magnitude of the complex resistance of a currently controlled winding and the vibration signal, and a determination unit for determining a temperature dependent on the resulting signal to determine in the electric motor.
  • One idea of the invention is to evaluate the temperature-dependent change in the complex resistance of an electric motor, in particular of one or more windings of the electric motor, over the temperature in order to obtain an indication of a temperature or temperature change.
  • Such a change in the complex resistance of the electric motor can then be determined by means of the evaluation unit, which evaluates the dynamic behavior at an excitation frequency and assigns a parameter of a sorting signal to a temperature.
  • the element can be arranged on an armature of the electric motor.
  • a material which, in the relevant temperature range, for example between 0 ° C. and 300 ° C., has a temperature-dependent change in a parameter which influences the complex resistance.
  • the temperature dependence of the relative permeability can be used as an influencing parameter of the complex resistance, if a suitable material is used.
  • the winding of the electric motor can be connected as a filter or as a resonant circuit, so that the complex resistance of the winding affects the frequency response of the filter or the resonant circuit.
  • the signal generator may provide the drive signal as a voltage signal having an amplitude and an excitation frequency, wherein the detection unit is configured, an amplitude of the resulting signal, and / or an amplitude ratio between the amplitudes of the oscillation signal and the resulting signal and / or a phase shift between them Schwingungssig- nal and the course of the resulting signal and / or a frequency shift between the resulting signal and the vibration signal to determine.
  • the determination unit is designed to assign a temperature to the determined amplitude, the amplitude ratio, the phase shift or the frequency shift.
  • an engine system with the above electric motor and with the above evaluation unit is provided.
  • a method of determining a temperature in the above electric motor comprises:
  • the vibration signal may be provided as a voltage signal having an amplitude and an excitation frequency, wherein an amplitude of the resulting signal and / or an amplitude ratio between the amplitudes of the vibration signal and the resulting signal and / or a phase shift between the vibration signal and the course of the resulting signal and / or a frequency shift between the resulting signal and the oscillation signal is determined, wherein the determined amplitude, the amplitude ratio, the phase shift or the frequency shift is assigned a temperature.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an engine system for detecting a temperature in an electric motor.
  • an engine system 1 with an electric motor 2 is shown schematically, which is controlled via a Motoranmaschinend 3.
  • the motor drive unit 3 supplies the electric motor 2 with suitable drive signals for driving, which, depending on the type of the electric motor 2, can correspond to DC voltages or AC voltages in order to transmit drive energy to the electric motor 2 accordingly.
  • the electric motor 2 can also be controlled with the aid of the control signals as a function of a manipulated variable provided to the motor drive unit 3 with different powers. For example, a voltage applied to the electric motor 2 DC voltage is varied depending on the manipulated variable.
  • Common methods for detecting the temperature of the electric motor include providing a temperature sensor in the electric motor 2 and measuring the change in the ohmic resistance of one or more windings in the electric motor 2 so as to close the temperature of the electric motor 2.
  • the evaluation of the change in the ohmic resistance allows the detection of an average temperature over the entire winding range, but has the disadvantage that at a temperature coefficient of, for example, 4 x 10 -3 ( ⁇ of copper), the change in resistance at a temperature increase of about 10 0 C is only about 4%. This can lead to significant inaccuracies in the temperature determination.
  • the temperature dependence of the complex resistance of the electric motor 2 instead of the temperature dependence of the ohmic resistance of a conductor.
  • it is therefore provided to use the temperature dependence of a magnetic material in the electric motor 2 instead of the temperature dependence of the ohmic resistance of a conductor.
  • a material-specific property of a magnetic material is given by means of the relative permeability ⁇ r .
  • the relative permeability ⁇ r can take evaluable values in particular in the case of soft magnetic materials, such as are used for anchors and the like in electric motors.
  • the relative permeability ⁇ r affects the imaginary resistance of a winding around the soft magnetic material, so that the entire complex resistance of a winding of the electric motor 2 can be detected by means of a corresponding frequency response.
  • an evaluation unit 6 which has a signal generator 7, which provides a vibration signal with a certain frequency.
  • a suitable component 8 for example, designed as a capacitor, is a electrical filter or series resonant circuit formed with the complex resistance of the driven winding in the electric motor 2.
  • the capacitor 8 is connected in series between the signal generator 7 and the winding of the electric motor 2.
  • a first terminal of the capacitor 8 serves as an input of the filter and a second terminal of the capacitor 8 is connected to the electric motor 2 and also serves as the output of the filter, at which a resulting signal is tapped.
  • another component may be provided, such as a resistor, a further inductance and the like.
  • the capacitor 8 instead of the capacitor 8, only the parasitic effects of the electrical connection, which often act capacitively, can be used.
  • a resultant signal tapped at a node between the capacitor 8 and the electric motor 2 is supplied to a detection unit 9. Furthermore, the detection unit 9 also receives the oscillation signal in order to be able to evaluate the resulting signal on the basis of the exciting oscillation signal. The detection unit 9 can determine and supply to a control unit 10 by comparing the vibration signal with the resultant signal either a relative temperature change or an absolute temperature by comparing with predetermined values.
  • the control unit 10 evaluates the determined temperature change or the absolute temperature and determines, for example based on a threshold comparison, whether the electric motor 2 should continue to operate. If the determined temperature of the electric motor 2 exceeds the temperature threshold value, the electric motor 2 is preferably switched off. Alternatively, the control unit 10 of the Motoran Kunststofftechnik 3 also provide a temperature signal to signal there that a heating of the electric motor 2 has occurred above a threshold and that a drive with a lower power or no more control should be made to a further heating of the To prevent or reduce electric motors.
  • the detection unit 9 can evaluate the resulting signal in various ways. For example, in the embodiment shown in FIG.
  • the attenuation of the oscillation signal provided by the signal generator 7 can be detected by the series resonant circuit of capacitor 8 and complex resistance of the electric motor 2 by taking a ratio of the amplitude of the resulting signal is determined to the amplitude of the vibration signal. With knowledge of the frequency of the oscillation signal of this damping can be assigned an absolute temperature. By comparing two attenuation values, alternatively or additionally, a relative temperature change can also be determined.
  • the detection unit 9 may include a map or a function which are predetermined or taught in and assign the corresponding attenuation values to temperatures of the electric motor 2.
  • the frequency of the oscillation signal that is output by the signal generator 7 is preferably designed so that the largest possible damping changes, i. Amplitude changes of the resulting signal in a change in the complex resistance of the winding of the electric motor 2 can be effected.
  • the complex resistance of the electric motor 2 can also be part of a parallel resonant circuit in which the signal generator 7 provides a vibration signal with a predetermined voltage amplitude. A resulting signal can then be tapped as a current signal or another voltage signal. The amplitude of the resulting signal depends considerably on how close the frequency of the oscillation signal is at the resonant frequency of the parallel resonant circuit. As a result, the temperature can be derived from the amplitude of the resulting signal.
  • Another alternative is to apply the vibration signal with a defined frequency spectrum to the electric motor 2.
  • the temperature-dependent complex resistance of the electric motor leads to different attenuation at different frequencies in the frequency spectrum.
  • the different attenuations can be determined, for example, by a Fourier analysis of the resulting signal and by comparison of the result obtained by the Fourier analysis of the resulting signal. rend signal received with the frequency spectrum of the applied vibration signal are evaluated and used to determine the temperature of the electric motor, for example using a suitable map as described above.
  • the phase shifting effect of the complex resistance of the winding of the electric motor 2 can be used to obtain an indication of the complex resistance of the winding.
  • the indication of the complex resistance can then be assigned to a temperature of the winding by means of a characteristic diagram.
  • a phase shift in particular the phase shift between the voltage amplitude and the resulting current through the electric motor 2 or in the evaluation unit 6 of FIG. 1, the phase shift between the tapped between capacitor 8 and electric motor 2 resulting signal and the vibration signal can be determined.
  • one or more absolute amplitudes of the resulting signal and / or an amplitude ratio between the amplitudes of the oscillation signal and the resulting signal and / or a phase shift between the oscillation signal and the resulting signal and / or a frequency shift between the resulting signal and be evaluated the vibration signal.
  • Suitable electric motors are all types of drives which have a winding for generating a magnetic force, such as, for example, DC motors with commutator, brushless motors, synchronous motors, asynchronous motors and the like.
  • DC motors with commutator DC motors with commutator
  • brushless motors synchronous motors
  • asynchronous motors asynchronous motors and the like.
  • the frequency of the oscillation signal is at least five times the frequency of the drive signal at the highest rotational speed of the electric motor 2.
  • the evaluation unit 6 makes it possible to carry out a temperature detection in the electric motor both in the driven state and in the non-driven state.
  • the temperature which has been determined with the aid of the complex resistance of the electric motor 2 can be assumed to be the ambient temperature if, within a specific preceding period of time, no activation of the electric motor 2 with activation signals has taken place.
  • detection of temperature in areas of the vehicle in which the respective electric motor is arranged can thus be undertaken without the provision of further temperature sensors. An additional wiring for temperature sensors and the like. Can be avoided.
  • the electric motors installed in an interior can therefore also be used simultaneously as temperature sensors for an ambient temperature, so that e.g. an air conditioning control based on the thus detected temperatures from different areas of the interior can be operated.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Power Engineering (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Elektromotor (2) mit einem Spulenelement mit einer Wicklung, die beim elektrischen Ansteuern durch Wechselwirken eines dadurch hervorgerufenen Magnetfeldes mit einem weiteren Magnetfeld eine Antriebskraft bewirkt; wobei die Wicklung des Spulenelementes an einem Element des Elektromotors (2) so angeordnet ist, dass ein komplexer Widerstand der Wicklung temperaturabhängig ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Motorsystem und ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur in einem Elektromotor (2), mit folgenden Schritten: - Beaufschlagen des Elektromotors (2) mit einem Schwingungssignal; - Ermitteln eines resultierenden Signals, das von der Größe des komplexen Widerstands der momentan angesteuerten Wicklung in dem Elektromotor und von dem Schwingungssignal abhängt; - Zuordnen der Temperatur in dem Elektromotor, abhängig von einem elektrischen Parameter des resultierenden Signals.

Description

Beschreibung
Titel
Elektromotor mit einer Temperaturerfassunq und Verfahren zur Erfassung einer Temperatur in einem Elektromotor
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, der ausgebildet ist, um eine Temperatur zu erfassen. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Erfassen einer Temperatur in einem Elektromotor.
Stand der Technik
Eine häufige Ursache von Beschädigungen oder Ausfällen von Elektromotoren ist deren thermische Überhitzung. Eine zu hohe Temperatur entsteht in der Regel durch eine Überlastung des Elektromotors, d.h. durch einen zu hohen Strom, der zum Bereitstellen eines geforderten Drehmoments für einen bestimmten Zeitraum durch den Elektromotor fließt und eine Verlustleistung in Form von Wärme in den Wicklungen des Elektromotors erzeugt.
Momentan werden Elektromotoren insbesondere im Kraftfahrzeugbereich, z.B. für Fensterheberanwendungen, Schiebedachanwendungen und dgl., auf folgende Arten vor Beschädigung durch Überlastung geschützt:
- Die Elektromotoren weisen einen Thermoschalter, z.B. einen Bimetall Thermo- Schalter, auf, der an oder in dem Elektromotor angeordnet ist und der bei Überschreiten einer Temperaturschwelle schaltet und so einen Stromkreis durch den Elektromotor öffnet. Der Elektromotor wird so deaktiviert und erst, wenn die Temperatur in dem Elektromotor abgesunken ist, wird der Stromkreis durch den Elektromotor wieder geschlossen.
- Weiterhin kann im oder am Elektromotor ein Temperatursensor vorgesehen sein, der an eine im Inneren des Motors angeordneten oder separaten Auswer- teeinheit angeschlossen ist. Die Auswerteeinheit kann dann abhängig von der erfassten Temperatur bewirken, dass der Stromkreis geöffnet wird. Diese und die vorangehende Variante haben jedoch den Nachteil, dass durch das Vorsehen eines Temperatursensors in dem Elektromotor eine Temperatur nur an einem bestimmten Bereich im Elektromotor erfasst werden kann und dadurch keine Angabe über die Temperatur in anderen Bereichen des Elektromotors verfügbar ist.
- Eine weitere Möglichkeit, den Elektromotor vor Überhitzung zu schützen, besteht darin, mithilfe einer geeigneten Überwachungseinheit Betriebsparameter des Elektromotors zu erfassen, wie beispielsweise die Zahl der Aktivierungszyk- len, die Abkühldauer zwischen den Aktivierungszyklen, Motorparameter, wie
Drehzahl und Motorstrom und dgl. auszuwerten und durch Überwachen der Betriebshistorie des Elektromotors eine Abschaltung vorzunehmen, wenn dadurch eine kritische Wärmeleistung innerhalb einer bestimmten Zeit erzeugt worden ist. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass es sehr ungenau ist und ei- ne gute Beschreibung des Elektromotors anhand eines geeigneten Motormodells erfordert.
Aus der Druckschrift EP 0284711 A2 ist bekannt, die Temperatur einer Wicklung in einem Elektromotor durch Erfassen des temperaturabhängigen Widerstands der Wicklung zu bestimmen. Jedoch kann dieses Verfahren nur bei einem stehenden Elektromotor angewendet werden und ist somit zur Überwachung der Motortemperatur während des Betriebs des Motors ungeeignet. Es wird weiterhin vorgeschlagen, die Messung des Ohmschen Widerstandes dann durchzuführen, wenn sich die entsprechende Wicklung, mit der die Messung vorgenommen werden soll, in einem stromlosen Zustand befindet. Dies erfordert jedoch eine aufwendige Realisierung, da die Zeit, während der der stromlose Zustand vorliegt, bestimmt werden muss und die Steuerung demgemäß durchgeführt werden muss. Darüber hin- aus verändert sich auch der ohmsche Widerstand der Zuleitung und beeinflusst den gesamten Ohmschen Anteil.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit bereitzustellen, die Temperatur eines Elektromotors auch während seines Betriebes zu erfassen. Das Erfassen der Temperatur soll einfach und mit geringem Aufwand realisiert werden und insbesondere kein Vorsehen eines Temperatursensors als separates Bauteil in dem Elektromotor erfordern.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird durch den Elektromotor gemäß Anspruch 1 des Motorsystems sowie das Verfahren zum Erfassen einer Temperatur gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Elektromotor vorgesehen. Der Elektromotor umfasst ein Spulenelement mit einer Wicklung, die beim elektrischen Ansteuern durch Wechselwirken eines dadurch hervorgerufenen Magnetfeldes mit einem weiteren Magnetfeld eine Antriebskraft bewirkt. Die Wicklung des Spulenelementes ist an einem Element des Elektromotors so angeordnet, dass ein komplexer Widerstand der Wicklung temperaturabhängig ist, beispielsweise durch eine tem- peraturabhängige relative Permeabilität.
Bei einem solchen Elektromotor kann eine Temperatur des Elektromotors über die veränderte Permeabilität erfasst werden, die sich in einer Änderung eines komplexen Widerstandes einer Wicklung im Elektromotor auswirkt.
Ein weiterer Aspekt betrifft eine Auswerteeinheit zum Erfassen einer Temperatur in einem Elektromotor. Die Auswerteeinheit umfasst einen Signalgenerator zum Bereitstellen eines Schwingungssignals, mit dem der Elektromotor beaufschlagt wird, eine Erfassungseinheit zum Ermitteln eines resultierenden Signals, das von der Größe des komplexen Widerstands einer momentan angesteuerten Wicklung und von dem Schwingungssignal abhängt, und eine Bestimmungseinheit, um ab- hängig von dem resultierenden Signal eine Temperatur in dem Elektromotor zu ermitteln.
Eine Idee der Erfindung besteht darin, die von der Temperatur abhängige Änderung des komplexen Widerstands eines Elektromotors, insbesondere von einer oder mehreren Wicklungen des Elektromotors über der Temperatur auszuwerten, um eine Angabe über eine Temperatur bzw. Temperaturänderung zu erhalten. Eine solche Änderung des komplexen Widerstands des Elektromotors kann dann mithilfe der Auswerteeinheit, die das dynamische Verhalten bei einer Anregungsfrequenz auswertet und einen Parameter eines sortierenden Signals einer Tempe- ratur zuordnet, ermittelt werden.
Weiterhin kann das Element an einem Anker des Elektromotors angeordnet sein. Insbesondere kann ein Material verwendet werden, das im relevanten Temperaturbereich, z.B. zwischen 00C und 3000C, eine temperaturabhängige Veränderung eines Parameters aufweist, der den komplexen Widerstand beeinflusst. Beispielsweise kann die Temperaturabhängigkeit der relativen Permeabilität als Einflussparameter des komplexen Widerstandes genutzt werden, wenn ein geeignetes Material eingesetzt wird.
Durch die Auswerteeinheit kann die Wicklung des Elektromotors als Filter oder als Schwingkreis verschaltet sein, so dass der komplexe Widerstand der Wicklung das Frequenzverhalten des Filters bzw. des Schwingkreises beeinflusst. Der Signalgenerator kann das Ansteuersignal als ein Spannungssignal mit einer Amplitude und einer Anregungsfrequenz bereitstellen, wobei die Erfassungseinheit aus- gebildet ist, eine Amplitude des resultierenden Signals und/oder ein Amplitudenverhältnis zwischen den Amplituden des Schwingungssignals und des resultierenden Signals und/oder eine Phasenverschiebung zwischen dem Schwingungssig- nal und dem Verlauf des resultierenden Signals und/oder eine Frequenzverschiebung zwischen dem resultierenden Signal und dem Schwingungssignal zu ermitteln. Die Bestimmungseinheit ist ausgebildet, um der ermittelten Amplitude, dem Amplitudenverhältnis, der Phasenverschiebung bzw. der Frequenzverschiebung eine Temperatur zuzuordnen.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Motorsystem mit dem obigen Elektromotor und mit der obigen Auswerteeinheit vorgesehen.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur in dem obigen Elektromotor vorgesehen. Das Verfahren umfasst:
- Beaufschlagen des Elektromotors mit einem Schwingungssignal;
- Ermitteln eines resultierenden Signals, das von der Größe des komplexen Widerstands der momentan angesteuerten Wicklung in dem Elektromotor und von dem Schwingungssignal abhängt; und
- Zuordnen der Temperatur in dem Elektromotor abhängig von einem elektrischen Parameter des resultierenden Signals.
Insbesondere kann das Schwingungssignal als ein Spannungssignal mit einer Amplitude und einer Anregungsfrequenz bereitgestellt werden, wobei eine Amplitude des resultierenden Signals und/oder ein Amplitudenverhältnis zwischen den Amplituden des Schwingungssignals und des resultierenden Signals und/oder eine Phasenverschiebung zwischen dem Schwingungssignal und dem Verlauf des resultierenden Signals und/oder eine Frequenzverschiebung zwischen dem resul- tierenden Signal und dem Schwingungssignal ermittelt wird, wobei der ermittelten Amplitude, dem Amplitudenverhältnis, der Phasenverschiebung bzw. der Frequenzverschiebung eine Temperatur zugeordnet wird.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Motorsystems zum Erfassen einer Temperatur in einem Elektromotor.
Beschreibung von Ausführungsformen
In Fig. 1 ist schematisch ein Motorsystem 1 mit einem Elektromotor 2 dargestellt, der über eine Motoransteuereinheit 3 ansteuerbar ist. Die Motoransteuereinheit 3 versorgt den Elektromotor 2 zum Antrieb mit geeigneten Ansteuersignalen, die je nach Typ des Elektromotors 2 Gleichspannungen oder Wechselspannungen ent- sprechen können, um entsprechend Antriebsenergie an den Elektromotor 2 zu übertragen. Der Elektromotor 2 kann mithilfe der Ansteuersignale auch abhängig von einer der Motoransteuereinheit 3 bereitgestellten Stellgröße mit verschiedenen Leistungen angesteuert werden. Z.B. wird eine an den Elektromotor 2 angelegte Gleichspannung abhängig von der Stellgröße variiert.
Je nach Betrieb des Elektromotors 2, d.h. je nachdem, welche Last der Elektromotor 2 betreiben soll, wird durch einen Stromfluss in Wicklungen des Elektromotors 2 eine Verlustleistung erzeugt, die in Wärme umgesetzt wird. Um eine Überhitzung des Elektromotors 2 zu vermeiden, die zu einer Beschädigung oder Zerstörung des Elektromotors führen kann, ist es daher notwendig, eine Wärmeentwicklung, die zu einer zu großen Temperaturerhöhung führt, zu vermeiden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird dies mithilfe eines Schalters 11 vorgesehen, der zwischen der Motoransteuereinheit 3 und dem Elektromotor 2 vorgesehen ist, wobei der Elektromotor bei Erkennen einer zu hohen Temperatur im Elektromotor 2 ab- geschaltet wird. Alternativ kann anstelle des Schalters auch eine andere Funktion abhängig von der Temperatur realisiert werden.
Gängige Verfahren zur Erfassung der Temperatur des Elektromotors umfassen das Vorsehen eines Temperatursensors in dem Elektromotor 2 und das Messen der Veränderung des Ohmschen Widerstands einer oder mehrerer Wicklungen in dem Elektromotor 2, um auf die Temperatur des Elektromotors 2 zu schließen. Die Auswertung der Veränderung des Ohmschen Widerstands, z.B. einer Wicklung in dem Elektromotor 2, ermöglicht die Erfassung einer durchschnittlichen Temperatur über den gesamten Wicklungsbereich, hat jedoch den Nachteil, dass bei einem Temperaturkoeffizienten von beispielsweise 4 x 10~3 (α von Kupfer) die Widerstandsänderung bei einer Temperaturerhöhung von ca. 100C nur ca. 4% beträgt. Dies kann zu erheblichen Ungenauigkeiten bei der Temperaturbestimmung führen.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, anstelle der Temperaturabhängigkeit des Ohm- sehen Widerstandes eines Leiters die Temperaturabhängigkeit des komplexen Widerstands des Elektromotors 2 zu nutzen. Gemäß einer Ausführungsform ist daher vorgesehen, anstelle der Temperaturabhängigkeit des Ohmschen Widerstandes eines Leiters die Temperaturabhängigkeit eines magnetischen Materials im Elektromotor 2 zu nutzen. Eine materialspezifische Eigenschaft eines magneti- sehen Materials wird mithilfe der relativen Permeabilität μr angegeben. Die relative Permeabilität μr kann insbesondere bei weichmagnetischen Materialien, wie sie für Anker und dgl. in Elektromotoren verwendet werden, auswertbare Werte annehmen.
Die relative Permeabilität μr beeinflusst den imaginären Widerstand einer Wicklung um das weichmagnetische Material, so dass der gesamte komplexe Widerstand einer Wicklung des Elektromotors 2 mithilfe eines entsprechenden Frequenzverhaltens detektierbar ist.
Hierbei ist es vorteilhaft, dass die Veränderung des ohmschen Widerstandes der Verbindung zwischen Elektromotor 2 und Motoransteuereinheit 3 die Auswertung der komplexen Impedanz, z.B. über die relative Permeabilität, nicht beeinträchtigt.
Um den komplexen Widerstand der Wicklung in dem Elektromotor 2 auszuwerten, ist eine Auswerteeinheit 6 vorgesehen, die einen Signalgenerator 7 aufweist, der ein Schwingungssignal mit einer bestimmten Frequenz bereitstellt. Mithilfe eines geeigneten Bauelementes 8, beispielsweise ausgeführt als Kondensator, wird ein elektrischer Filter bzw. Reihenschwingkreis mit dem komplexen Widerstand der angesteuerten Wicklung im Elektromotor 2 gebildet. Der Kondensator 8 ist dazu seriell zwischen den Signalgenerator 7 und die Wicklung des Elektromotors 2 geschaltet. Im Detail dient ein erster Anschluss des Kondensators 8 als Eingang des Filters und ein zweiter Anschluss des Kondensators 8 ist mit dem Elektromotor 2 verbunden und dient gleichzeitig als Ausgang des Filters, an dem ein resultierendes Signal abgegriffen wird. Anstelle des Kondensators 8 kann auch ein anderes Bauteil vorgesehen sein, wie z.B. ein Widerstand, eine weitere Induktivität und dgl. Alternativ können anstelle des Kondensators 8 auch nur die parasitären Effekte der elektrischen Anbindung, die häufig kapazitiv wirken, genutzt werden.
Ein resultierendes Signal, das an einem Knoten zwischen dem Kondensator 8 und dem Elektromotor 2 abgegriffen wird, wird einer Erfassungseinheit 9 zugeführt. Weiterhin erhält die Erfassungseinheit 9 auch das Schwingungssignal, um das resultierende Signal anhand des anregenden Schwingungssignals auswerten zu können. Die Erfassungseinheit 9 kann durch Vergleichen des Schwingungssignals mit dem resultierenden Signal entweder eine relative Temperaturänderung oder eine absolute Temperatur durch Vergleichen mit vorbestimmten Werten ermitteln und einer Steuereinheit 10 zuführen.
Die Steuereinheit 10 wertet die ermittelte Temperaturänderung bzw. die absolute Temperatur aus und bestimmt z.B. anhand eines Schwellwertvergleichs, ob der Elektromotor 2 weiter betrieben werden soll. Überschreitet die ermittelte Temperatur des Elektromotors 2 den Temperaturschwellenwert, so wird der Elektromotor 2 vorzugsweise abgeschaltet. Alternativ kann die Steuereinheit 10 der Motoransteuereinheit 3 auch ein Temperatursignal bereitstellen, um dort zu signalisieren, dass eine Erwärmung des Elektromotors 2 über einen Schwellenwert aufgetreten ist und dass eine Ansteuerung mit einer geringeren Leistung oder keine Ansteuerung mehr vorgenommen werden soll, um eine weitere Erwärmung des Elektromo- tors zu verhindern oder zu reduzieren. Die Erfassungseinheit 9 kann das resultierende Signal auf verschiedene Weisen auswerten. In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform kann beispielsweise die Dämpfung des Schwingungssignals, das von dem Signalgenerator 7 bereitgestellt wird, durch den Reihenschwingkreis aus Kondensator 8 und komplexen Widerstand des E- lektromotors 2 ermittelt werden, indem ein Verhältnis der Amplitude des resultie- renden Signals zu der Amplitude des Schwingungssignals ermittelt wird. Bei Kenntnis der Frequenz des Schwingungssignals kann dieser Dämpfung eine absolute Temperatur zugeordnet werden. Durch Vergleich zweier Dämpfungswerte kann alternativ oder zusätzlich auch eine relative Temperaturänderung ermittelt werden. Dazu kann die Erfassungseinheit 9 ein Kennfeld oder eine Funktion enthalten, die vorgegeben oder eingelernt sind und die entsprechenden Dämpfungswerten Temperaturen des Elektromotors 2 zuordnen.
Die Frequenz des Schwingungssignals, das von dem Signalgenerator 7 abgegeben wird, ist vorzugsweise so ausgelegt, dass möglichst große Dämpfungsände- rungen, d.h. Amplitudenänderungen des resultierenden Signals bei einer Änderung des komplexen Widerstandes der Wicklung des Elektromotors 2 bewirkt werden. Alternativ zu dem in Fig. 1 dargestellten Reihenschwingkreis kann der komplexe Widerstand des Elektromotors 2 auch Teil eines Parallelschwingkreises sein, bei dem der Signalgenerator 7 ein Schwingungssignal mit einer vorbestimm- ten Spannungsamplitude bereitstellt. Ein resultierendes Signal kann dann als Stromsignal oder weiteres Spannungssignal abgegriffen werden. Die Amplitude des resultierenden Signals hängt dabei erheblich davon ab, wie nahe die Frequenz des Schwingungssignals an der Resonanzfrequenz des Parallelschwingkreises liegt. Dadurch kann aus der Amplitude des resultierenden Signals die Temperatur abgeleitet werden.
Eine weitere Alternative besteht darin, das Schwingungssignal mit einem definierten Frequenzspektrum an den Elektromotor 2 anzulegen. Der von der Temperatur abhängige komplexe Widerstand des Elektromotors führt in dem Frequenzspekt- rum zu unterschiedlichen Dämpfungen bei verschiedenen Frequenzen. Die unterschiedlichen Dämpfungen können z.B. anhand einer Fourier-Analyse des resultierenden Signals und durch Vergleichen des durch die Fourier-Analyse des resultie- renden Signals erhaltenen Frequenzspektrums mit dem Frequenzspektrum des angelegten Schwingungssignals ausgewertet werden und zur Bestimmung der Temperatur des Elektromotors z.B. mithilfe eines geeigneten Kennfeldes wie oben beschrieben benutzt werden.
Alternativ kann die phasenverschiebende Wirkung des komplexen Widerstands der Wicklung des Elektromotors 2 verwendet werden, um eine Angabe über den komplexen Widerstand der Wicklung zu erhalten. Die Angabe über den komplexen Widerstand kann dann mithilfe eines Kennfeldes einer Temperatur der Wicklung zugeordnet werden. Als Phasenverschiebung können insbesondere die Phasenverschiebung zwischen der Spannungsamplitude und dem resultierenden Strom durch den Elektromotor 2 oder bei der Auswerteeinheit 6 der Fig. 1 die Phasenverschiebung zwischen dem zwischen Kondensator 8 und Elektromotor 2 abgegriffenen resultierenden Signal und dem Schwingungssignal ermittelt werden.
Zusammenfassend können in der Erfassungseinheit 9 eine oder mehrere absolute Amplituden des resultierenden Signals und/oder ein Amplitudenverhältnis zwischen den Amplituden des Schwingungssignals und des resultierenden Signals und/oder eine Phasenverschiebung zwischen dem Schwingungssignal und dem resultierenden Signal und/oder eine Frequenzverschiebung zwischen dem resultierenden Signal und dem Schwingungssignal ausgewertet werden.
Bei allen oben genannten Ausführungsformen ist es jedoch notwendig, dass eine Zuordnung von einer erfassten, durch Anregung durch ein Anregungssignal be- wirkten und vom komplexen Widerstand abhängigen Größe zu einer absoluten Temperatur bzw. zu einer relativen Temperaturänderung anhand einer vorgegebenen oder eingelernten Funktion bzw. Kennfeld erfolgen kann.
Als Elektromotoren kommen alle Arten von Antrieben, die eine Wicklung zur Er- zeugung einer magnetischen Kraft aufweisen, in Betracht, wie z.B. Gleichstrommotoren mit Kommutator, bürstenlose Motoren, Synchronmotoren, Asynchronmotoren und dgl. Bei der Verwendung von Ansteuersignalen mit Wechselstromanteil, wie z.B. bei Asynchronmotoren und Synchronmotoren, ist es sinnvoll, das Schwingungssignal mit einer deutlich höheren Frequenz als die Ansteuersignale zu verwenden, so dass keine Einwirkung des Schwingungssignals auf den Betrieb des Elektromotors 2 erfolgen kann. Vorzugsweise beträgt die Frequenz des Schwingungssignals mindestens das Fünffache der Frequenz des Ansteuersignals bei der höchsten Drehzahl des Elektromotors 2.
Die Auswerteeinheit 6 ermöglicht es, eine Temperaturerfassung im Elektromotor sowohl im angetriebenen Zustand als auch im nicht angetriebenen Zustand vor- nehmen zu können.
Weiterhin ist es daher auch möglich, mithilfe des Elektromotors eine Temperatur einer Umgebung zu erfassen, wenn keine Eigenerwärmung des Elektromotors stattgefunden hat. Insbesondere kann die Temperatur, die mithilfe des komplexen Widerstandes des Elektromotors 2 ermittelt worden ist, als Umgebungstemperatur angenommen werden, wenn innerhalb eines bestimmten vorangehenden Zeitraumes keine Ansteuerung des Elektromotors 2 mit Ansteuersignalen erfolgt ist. Bei Verwendung solcher Elektromotoren in einem Fahrzeuginnenraum kann somit ohne das Vorsehen weiterer Temperatursensoren eine Erfassung von Temperatur in Bereichen des Fahrzeugs, in denen der jeweilige Elektromotor angeordnet ist, vorgenommen werden. Eine zusätzliche Verkabelung für Temperatursensoren und dgl. kann dadurch vermieden werden.
Die in einem Innenraum verbauten Elektromotoren können also gleichzeitig als Temperaturfühler für eine Umgebungstemperatur verwendet werden, so dass z.B. eine Klimaanlagensteuerung auf Grundlage der so erfassten Temperaturen aus verschiedenen Bereichen des Innenraums betrieben werden kann.

Claims

Ansprüche
1. Elektromotor (2), umfassend: ein Spulenelement mit einer Wicklung, die beim elektrischen Ansteuern durch Wechselwirken eines dadurch hervorgerufenen Magnetfeldes mit einem weiteren Magnetfeld eine Antriebskraft bewirkt; dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung des Spulenelementes an einem Element des Elektromotors (2) so angeordnet ist, dass ein komplexer Widerstand der Wicklung temperatur- abhängig ist.
2. Elektromotor (2) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Element des Elektromotors (2) eine temperaturabhängige relative Permeabilität aufweist.
3. Elektromotor (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Element einen Anker des Elektromotors umfasst.
4. Auswerteeinheit (6) zum Erfassen einer Temperatur in einem Elektromotor, umfassend:
- einen Signalgenerator (7) zum Bereitstellen eines Schwingungssignals, mit dem der Elektromotor (2) beaufschlagt wird;
- eine Erfassungseinheit (9) zum Ermitteln eines resultierenden Signals, das von der Größe des komplexen Widerstands einer momentan angesteuerten Wick- lung und von dem Schwingungssignal abhängt; und
- eine Bestimmungseinheit (10), um abhängig von dem resultierenden Signal eine Temperatur in dem Elektromotor zu ermitteln.
5. Auswerteeinheit nach Anspruch 4, wobei die Wicklung des Elektromotors (2) als Filter oder als Schwingkreis verschaltet ist, so dass der komplexe Widerstand der Wicklung das Frequenzverhalten des Filters bzw. des Schwingkreises beeinflusst, wobei der Signalgenerator (7) das Ansteuersignal als ein Spannungssignal mit einer Amplitude und einer Anregungsfrequenz bereitstellt, wobei die Erfassungseinheit (9) ausgebildet ist, eine Amplitude des resultierenden Signals und/oder ein Amplitudenverhältnis zwischen den Amplituden des Schwingungssignals und des resultierenden Signals und/oder eine Phasenverschiebung zwischen dem Schwingungssignal und dem Verlauf des resultierenden Signals und/oder eine Frequenzverschiebung zwischen dem resultierenden Signal und den Schwingungssignal zu ermitteln, wobei die Bestimmungseinheit (10) ausgebildet ist, um der ermittelten Amplitu- de, dem Amplitudenverhältnis, der Phasenverschiebung bzw. der Frequenzverschiebung eine Temperatur zuzuordnen.
6. Motorsystem mit einem Elektromotor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und einer Auswerteeinheit (6) nach einem der Ansprüche 4 und 5.
7. Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur in einem Elektromotor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit folgenden Schritten:
- Beaufschlagen des Elektromotors (2) mit einem Schwingungssignal;
- Ermitteln eines resultierenden Signals, das von der Größe des komplexen Wi- derstands der momentan angesteuerten Wicklung in dem Elektromotor (2) und von dem Schwingungssignal abhängt;
- Zuordnen der Temperatur in dem Elektromotor (2) abhängig von einem elektrischen Parameter des resultierenden Signals.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Schwingungssignal als ein Spannungssignal mit einer Amplitude und einer Anregungsfrequenz bereitgestellt wird, wobei eine Amplitude des resultierenden Signals und/oder ein Amplitudenverhältnis zwischen den Amplituden des Schwingungssignals und des resultierenden Signals und/oder eine Phasenverschiebung zwischen dem Schwingungs- Signal und dem Verlauf des resultierenden Signals und/oder eine Frequenzverschiebung zwischen dem resultierenden Signal und dem Schwingungssignal ermittelt wird, wobei der ermittelten Amplitude, dem Amplitudenverhältnis, der Phasenverschiebung bzw. der Frequenzverschiebung eine Temperatur zugeordnet wird.
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